長治氣田集輸管線積液形成規律研究*

李曉平 蘇越 謝平 孟凡華 王子輝

1中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室·石油工程教育部重點實驗室·城市油氣輸配技術北京市重點實驗室

2中國石油天然氣集團有限公司煤層氣開采先導實驗基地

由于地形的起伏，濕天然氣管道在輸送過程中必須以不同角度進行鋪設。管道角度改變會使管道持液率發生變化，使得流動情況更加復雜，管道中也會因此形成積液，影響輸送效率[1-3]，更為嚴重的情況下管道中的液體會伴隨著管道起伏形成強烈段塞流[4]。在這種工況下，運行中的輸氣管道會承受脈沖應力沖擊，進而引起強烈的振動，產生比較大的疲勞破壞，增大沿線管壁的壓力，加速管道的腐蝕，破壞油氣混輸管道以及設備，從而使下游的儀器裝備無法正常運行[5]。除此之外，積液的堆積還會造成管道的有效流通面積減小，影響輸送效率[6-9]。因此，研究起伏管道的積液情況，對于保障管道運輸的安全，提高管道的輸送效率顯得尤為重要。

目前管線積液的清掃方法大致有兩種：①通過對整條管線進行清管，利用清管器和管道的過盈配合，使得清管器在行進時將管內壁附著的水膜清掃出來[10]；②利用凝水缸對管線的積液進行局部排放，但是對于較長的管線，需要準確判斷積液的位置[11]。馬瑤[12]認為，隨著時間的推移，管線的積液會在彎頭底部聚集，然后逐漸向上傾管線平鋪。高杰[13]等通過層次分析法對于局部排液和管線整體清管排液進行了評價。王磊[14]等利用Mcketta-Wehe算圖法以及經驗公式估算了凝水缸的安裝位置，但是該方法沒有考慮高程變化較大的情況，對起伏較大且長度超過5 km的管線并不適用。本文通過OLGA軟件對樊四集氣站至處理中心管線的積液情況進行了數值模擬且在現場進行了驗證，通過對管道積液臨界傾角的計算分析，得出了起伏管線積液的一般性規律，并對凝水缸的安裝位置給出了建議。

1 管線積液規律分布模擬

1.1 樊四集氣站至處理中心管線運行情況

華北油田山西煤層氣分公司建有集氣站11座、煤層氣處理中心1 座，集氣管道共計8 條（樊莊區塊5條，鄭莊區塊3條[15]），其中樊四集氣站至處理中心管線由于起伏較大，輸量低，積液的影響十分嚴重，且清管周期頻繁。該管線的走向如圖1所示。

該管線輸量為217 152 m3/d(標況)，管線規格245～355.6 mm×6.3 mm，全長10.04 km，最高點海拔756 m，最低點海拔630 m。管道的路由圖如圖2所示。

管線中氣體組分摩爾分數如下：CH4為98.94%，C2H6為0.01%，N2為0.69%，CO2為0.34%，O2為0.01%，C3H8為0.01%。

該管線目前允許的入口最大壓力為1.2 MPa，清管周期為10 d 左右，清管清出的液體總體積約12 m3左右，清管所收集液體為污水、粉煤灰及乳化液混合物，以水分居多，呈黑褐色，黏稠狀液體中水分比例大于80%，乳化油+粉煤灰+水黏稠物占比小于20%。

圖1 樊四至處理中心管道走向Fig.1 Pipeline route from Fansi to treatment center

圖2 管道路由圖Fig.2 Pipeline route map

1.2 管線積液模擬結果

OLGA 軟件是目前在石油行業廣泛使用的多相流模擬軟件之一，它以雙流體模型為基礎，綜合計算兩相流參數，同時可以判斷流型，然后由流型計算出各參數值[16-17]。采用OLGA 軟件對整條管線的積液情況進行模擬，管線的出口壓力設置為0.85 MPa，入口溫度為5 ℃。由于OLGA 無法對空管進行模擬，因此設置管線初始條件為氣體單相充滿整個管線，模擬時間為30 d，整條管線的總積液量隨時間的變化如圖3所示。

通過分析可知，在30 d內，整條管線的積液一直處于增加的狀態。在管道運行10 d時，整條管線的積液大致在15 m3，由于每次清管無法做到將積水全部排出，因此OLGA模擬結果跟現場情況基本一致。

圖3 管線總積液量隨時間的變化Fig.2 Total liquid accumulation of pipeline with time

為了觀察整條管線的積液規律，針對不同時間整條管線的持液率分布進行了模擬，模擬結果如圖4所示。

圖4 管道沿線持液率隨時間的變化Fig.4 Liquid holdup along the pipeline with time

通過分析可知：一開始在管線的第一個由下傾到上傾的彎頭轉換處形成了積液，然后管線的積液位置逐漸擴大，向著上傾管移動；當管線運行至15 d時，第一個上傾管線充滿了積液，在這個過程中，第二個和第三個低洼處持液率沒有變化，幾乎保持為零，也就是說此時的管線積液只在第一個上傾管段；隨著時間的繼續推移，在第25 d時，第二段傾角較大的上傾管也充滿了積液，此時這兩段上傾管段的積液達到飽和；在第30 d時，管線的第二個低洼處有了明顯的積液生成，然而此時第三個低洼處的持液率仍舊保持在0左右，沒有明顯的積液生成。

以上分析表明，管線低洼處的積液形成是有一定的規律性的，在管線的運行過程中，會在最靠近入口的低洼處最先形成積液，然后積液位置一直向著上傾管方向擴散，直到管線出現下傾為止，此時其他位置均不會有積液形成。當第一段上傾管的積液到達飽和之后，第二個低洼處才會有積液形成，然后再逐漸向上傾位置擴散，以此類推，直到管線全部充滿積液。而對于樊四集氣站至處理中心管線，在目前10 d的清管周期內，積液只會產生在第一個上傾管段（圖5 黃色標記所示），若是在第一個彎頭處加裝凝水缸，清管周期會大大延長，節約成本。

2 積液臨界傾角的計算

積液的臨界傾角是指當管道鋪設角度小于該角度時，管線中的積液會被氣體全部帶走。當鋪設的角度大于該角度時，會出現液體的聚集，從而形成積液。通過計算積液臨界傾角，可以判斷出現凝液的第一個起伏彎頭位置。劉曉倩、李玉星[18]等認為，管線中形成積液的條件為分層流穩定存在而不轉化為段塞流，并且利用Taitel-Dukler 的FLAT 分層流模型進行了力學分析，得出管線積液的臨界傾角的計算公式為

式中：υg為氣相流速，m/s；ρl為液相密度，kg/m3；ρg為氣相密度，kg/m3；hl為液位高度，m。

將各項參數帶入公式進行計算，其中氣相密度可通過BWRS 方程進行迭代求解，液位高度通過Taitel-Dukler 方程迭代求解，最終將氣體密度和液位高度帶入公式中可求出積液形成的臨界角度[19-21]。

將積液形成的臨界傾角位置的計算結果與多相流模擬軟件OLGA的模擬結果對比可知，二者均顯示樊四集氣站至處理中心管線積液形成的第一個傾角位置在管道里程約5 km 處，理論計算與模擬結果具有一致性。

3 結論

通過OLGA數值模擬，得出了起伏管線積液形成的規律，從而能夠判斷出管線積液最先開始的形成位置，即在第一個起伏彎頭處。利用Taitel-Dukler方程，推導了產生積液的臨界傾角，可確定第一個起伏彎頭的位置。通過這一結論，可以利用凝水缸對管線局部進行排液，使得第一個上傾處的積液無法鋪滿，這樣管線的其他位置也不會出現積液，輸送效率將大幅度提升。但是這種方法的不足之處在于，凝水缸的排液周期較長，要求其有較長的使用壽命，需要定期進行檢修，而由于管線深埋地下，維護與檢修并不方便，人力、物力投入較大[22]，關于整體清管和加裝凝水缸哪一個更能節約成本，還需要結合具體情況進行進一步的研究。